Tusentals miles av fiberoptiska kablar korsar jorden och paketerar allt från finansiell data till kattvideor till ljus. Men när signalen kommer till ditt lokala datacenter, den hamnar i en flaskhals av kisel. Istället för ljus, datorer körs på elektroner som rör sig genom kiselbaserade chips – vilket, trots stora framsteg, är fortfarande mindre effektiva än fotonik.

För att bryta igenom denna flaskhals, forskare försöker integrera fotonik i kiselenheter. De har utvecklat lasrar – en avgörande komponent i fotoniska kretsar – som fungerar sömlöst på kisel. I en tidning som kommer denna vecka i APL fotonik , forskare från University of California, Santa Barbara skriver att framtiden för kiselbaserade lasrar kan vara mycket liten, atomliknande strukturer som kallas kvantprickar.

Sådana lasrar kan spara mycket energi. Att ersätta de elektroniska komponenterna som ansluter enheter med fotoniska komponenter kan minska energianvändningen med 20 till 75 procent, Justin Norman, en doktorand vid UC Santa Barbara, sa. "Det är en avsevärd minskning av den globala energiförbrukningen bara genom att ha ett sätt att integrera lasrar och fotoniska kretsar med kisel."

Kisel, dock, har inte rätt egenskaper för lasrar. Forskare har istället vänt sig till en klass av material från grupp III och V i det periodiska systemet eftersom dessa material kan integreras med kisel.

Initialt, forskarna kämpade för att hitta en funktionell integrationsmetod, men till slut använde kvantprickar eftersom de kan odlas direkt på kisel, sa Norman. Kvantprickar är halvledarpartiklar som bara är några nanometer breda - tillräckligt små för att de beter sig som enskilda atomer. När den drivs med elektrisk ström, elektroner och positivt laddade hål blir instängda i prickarna och rekombinerar för att avge ljus - en egenskap som kan utnyttjas för att göra lasrar.

Forskarna gjorde sina III-V kvantpunktslasrar med en teknik som kallas molekylär strålepitaxi. De avsätter III-V-materialet på kiselsubstratet, och dess atomer självmonterar till en kristallin struktur. Men kristallstrukturen hos kisel skiljer sig från III-V-material, leder till defekter som gör att elektroner och hål kan fly, förnedrande prestanda. Lyckligtvis, eftersom kvantprickar packas ihop med hög densitet – mer än 50 miljarder punkter per kvadratcentimeter – fångar de elektroner och hål innan partiklarna går förlorade.

Dessa lasrar har många andra fördelar, sa Norman. Till exempel, kvantprickar är mer stabila i fotoniska kretsar eftersom de har lokaliserade atomliknande energitillstånd. De kan också köras på mindre ström eftersom de inte behöver lika mycket elektrisk ström. Dessutom, de kan arbeta vid högre temperaturer och skalas ner till mindre storlekar.

Bara under det senaste året, forskare har gjort avsevärda framsteg tack vare framsteg inom materiell tillväxt, sa Norman. Nu, lasrarna arbetar vid 35 grader Celsius utan större nedbrytning och forskarna rapporterar att livslängden kan vara upp till 10 miljoner timmar.

De testar nu lasrar som kan arbeta vid 60 till 80 grader Celsius, det mer typiska temperaturintervallet för ett datacenter eller superdator. De arbetar också med att designa epitaxiella vågledare och andra fotoniska komponenter, sa Norman. "Plötsligt, " han sa, "Vi har gjort så mycket framsteg att saker och ting ser lite mer på kort sikt ut."